曲梁压电俘能器强迫振动的格林函数解

本文运用格林函数法求解了曲梁压电俘能器在强迫振动下的解析解.运用微分法分析了压电层合曲梁结构面内各内力,根据曲梁压电俘能器的动力学方程组,基于压电本构关系,建立了包含径向阻尼但不考虑俘能器曲梁结构部分的轴向力以及轴向惯性项的Prescott力电耦合模型.采用Laplace变换法求得了耦合振动方程的格林函数解.根据叠加原理和格林函数的物理意义,对耦合的系统方程解耦进而求得强迫振动下曲梁压电俘能器的输出电压.数值计算中,通过与现有文献的解析解进行对比,验证了本文解析解的有效性,并研究了阻尼、电阻等重要物理参数对压电函数和谐振频率的影响.通过与有关传统直梁压电俘能器研究成果的对比,体现了曲梁压电俘能器Prescott模型的高效集能特性.数值分析研究表明:(1)使得曲梁俘能器达到最大输出电压时连接的最优负载电阻为1 M?;(2)通过更换适当的基底材料,降低材料的弹性模量,可以改变曲梁俘能器的高基频现象,以使结构适应更复杂的工作环境,但这会导致俘能器的工作效率降低.     

基于自旋梁的压电振动能量采集与动力学分析

为研究轴向载荷及梁上外激励共同作用下自旋梁结构强迫振动的压电振动能量采集问题,文章提出运用格林函数法求解自旋梁压电俘能器强迫振动下的电压解析解.基于Euler-Bernoulli梁理论,采用扩展Hamilton原理及PZT-5A压电本构,建立了自旋梁压电俘能器强迫振动的力电耦合模型.采用Laplace变换法求得耦合振动方程的格林函数解,并根据线性叠加原理和格林函数的物理意义,对耦合的系统方程进行解耦,进而求得强迫振动下自旋梁压电俘能器的电压解析解.数值计算中,通过与现有文献中的解析解以及实验结果进行对比,验证了本文解的有效性,并分别分析了自旋梁压电俘能器的压电响应与电阻、转速等重要物理参数之间的关系.数值分析研究表明:(1)自旋梁俘能器的压电响应随电阻阻值的增大而增大,直至阻值达到最优负载电阻;(2)通过调高转速,可以提高压电俘能器的最大输出电压;(3)通过降低轴向载荷,可在保持俘能器高效工作的情况下改善俘能器的高基频现象.     

基于压电振动能量俘获的弯曲结构损伤监测研究

建立了含裂纹损伤的曲梁压电能量俘获系统在强迫振动下的动力学模型. 基于Prescott型压电曲梁力电耦合振动方程的解析解和裂纹截面处的连续性条件, 求解了含裂纹损伤的压电曲梁的格林函数. 根据线性叠加原理, 对含裂纹的力电耦合模型的系统方程解耦, 得到强迫振动下含裂纹损伤的曲梁压电俘能器的输出电压. 在得到模型的强迫振动解析解后, 提出逆方法检测结构中的裂纹损伤, 这一检测方法适用于处于振动状态下的结构. 在数值计算中, 令裂纹深度为零, 通过对比本文的解析解与现有文献中的解析解, 验证了本文解的有效性. 分别分析了含裂纹损伤的压电曲梁的电压响应与裂纹深度、裂纹位置、材料的几何参数以及阻尼之间的关系. 研究结果表明: 裂纹的存在对曲梁式压电俘能器的影响比直梁式更加复杂; 裂纹出现时, 损伤曲梁在健康曲梁的一阶频率值处一定会出现波动并被激励出二阶频率, 此时的二阶频率是开路中健康压电曲梁的一阶频率值; 通过对电压响应的检测可以确定的损伤裂纹的深度和在结构中出现的位置范围; 利用振动问题的解来检测压电曲梁的健康状况是可行且准确的.      

附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量, 本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明, 该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.      

附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量,本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明,该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.     

参数和直接激励下非线性压电俘能器性能分析的多尺度法

考虑几何非线性、阻尼非线性和梁的轴向不可伸长条件,利用Hamilton变分原理,建立了参数激励和直接激励下压电俘能器的非线性力电耦合的运动微分方程;利用Galerkin法,将所建立的动力学偏微分方程降阶为力电耦合的Mathieu-Duffing型方程;采用多尺度法获得了梁的位移和输出电压的解析表达式,给出了解的稳定性条件;利用解析表达式研究了单独参数激励以及参数激励和直接激励共同作用下阻尼系数对压电俘能器性能的影响。结果表明,在参数激励情况下,线性阻尼会显著影响超临界分岔点的位置,非线性二次阻尼不会影响超临界分岔点的位置。参数激励和直接激励的结合可以作为提升压电能量俘获器性能的解决方案。     

基于等效电路法的变三角截面驰振压电能量收集研究

随着能源危机的逐渐加剧，人们对压电俘能器研究的投入也与日俱增，目前常见的研究压电俘能器的模拟方法只能研究其接入简单的单一电阻负载电路时的性能，且不能解决压电俘能器的高强度直流电路耦合问题。因此，本文借助二阶范德波尔控制方程将压电俘能器的主要部件等效为电子元件，进而基于等效电路法建立了与变三角截面驰振压电振动俘能器相对应的等效电路模型。借助风洞实验验证了所建立的等效电路模型的准确性。采用该模型研究了外接电路，钝体顶角，外接电阻和来流速度对变三角截面驰振压电俘能器输出电压，输出功率和响应位移的影响，结果表明，随着电阻的增大，输出电压逐渐增大且增长率逐渐减小。交直流电路的最佳负载分别为1.05 MΩ和1.4 MΩ，当风速为7.03 m/s，钝体顶角为90°时，交直流电路输出电压和输出功率的峰值分别为41.34 V，0.974 mW和50.8 V，0.616 mW。随着钝体顶角的增大，输出电压，输出功率和响应位移均逐渐增大且增大的速度逐渐减小。等效电路模型可以高效，准确地对不同结构参数下和外界电路下的压电振动俘能器的输出功率，输出电压，响应位移及其影响因素进行研究，所提出的等效电路模型于加快对压电振动俘能器的研究与推广应用具有一定意义。     

压电俘能器结构及其力/电耦合作用分析

介绍了一种新的切实可行的能量俘获方法,即通过压电结构的力/电转换功能从环境振动中提取能量,实现微电子器件的无线供能。这种由压电结构制作的能从环境振动中提取能量的声波器件称为压电俘能器,可分为两类：一类是压电结构在环境振动激励下所输出的功率直接供给微电子器件工作,不进行能量储存,这类俘能器称为第一类压电俘能器（piezoelectric power harvester）;另一类是环境振动较弱,压电结构的输出功率低于器件的瞬时耗能,考虑到某些器件大部分时间处于休眠状态,而俘能器却随时可以从环境振动中提取能量,因此经过一段时间的能量累积后,由俘能器所储存的能量仍能满足器件的短期工作耗能。显然,这类俘能器需要具备能量储存功能,称为第二类压电俘能器（piezoelectric energy harvester）。本文详细介绍了压电俘能器结构以及两类俘能器的不同分析方法,阐述了提高俘能效率的有效措施并揭示了相关的改进机理,对压电俘能器的设计和应用具有重要意义。     

翼型颤振压电俘能器的输出特性研究

压电俘能器能够为自然界中低功率的微机电系统持续供能. 为了模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动和有效俘获气动弹性振动能量, 本文提出一种新颖的翼型颤振压电俘能器. 基于非定常气动力模型, 推导翼型颤振压电俘能器流?固?电耦合场的数学模型. 建立有限元模型, 模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动, 获得机翼附近的涡旋脱落和流场特性. 搭建风洞实验系统, 制作压电俘能器样机. 利用实验验证理论和仿真模型的正确性, 仿真分析压电俘能器结构参数对其气动弹性振动响应和俘获性能的影响. 结果表明: 理论分析、仿真模拟和实验研究获得的输出电压具有较好的一致性, 验证建立数学和仿真模型的正确性. 仿真分析获得机翼附近的压力场变化云图, 表明交替的压力差驱动机翼发生二自由度沉浮?俯仰运动. 当风速超过颤振起始速度时, 压电俘能器发生颤振, 并表现为极限环振荡. 当偏心距为0.3和风速为16 m/s时, 可获得最大输出电压为17.88 V和输出功率为1.278 mW. 功率密度为7.99 mW/cm3, 相比较于其他压电俘能器, 能实现优越的俘获性能. 研究结果对设计更高效的翼型颤振压电俘能器提供重要的指导意义.      

悬臂梁挠曲电俘能器的力电耦合模型及性能分析

挠曲电效应指应变梯度在电介质中引起的电极化现象,是一种普遍存在的力电耦合行为。应变梯度与材料的尺寸成反比,因此挠曲电效应有望在纳米尺度主导材料的物理性质,尤其是力电耦合性能。本文建立了悬臂梁挠曲电俘能器的理论模型,基于哈密顿原理得到了悬臂梁挠曲电俘能器的控制方程和相应的边界条件;进一步,得到了悬臂梁挠曲电俘能器的输出电压频率响应和功率密度频率响应随悬臂梁的振动频率、外电路阻抗、挠曲电层厚度以及弹性层模量的变化规律。聚偏氟乙烯和环氧树脂层合挠曲电悬臂梁俘能器模型的数值结果表明输出电压频率响应和功率密度频率响应在共振频率点取得最大值,且随着各阶模态对应的共振频率的增加悬臂梁挠曲电俘能器的输出电压和功率密度均增加。此外,计算结果还表明悬臂梁俘能器存在最佳匹配阻抗,在匹配阻抗附近悬臂梁俘能器的输出功率密度随挠曲电层厚度的减小而增大,表现出明显的尺寸效应。本文工作提供了一种基于挠曲电效应的悬臂梁俘能器的理论模型,为悬臂梁俘能器的设计提供了理论依据。     

一种具有新型动力放大器压电悬臂梁俘能器计算模型和解析解

为了提高压电振动能量俘获的效率,提出了一种新型的压电悬臂梁俘能器。新的压电俘能器在悬臂梁固定端安装一个新型动力放大器系统,另一端带有一个有限尺寸的质量块。新型动力放大器由平移及转动约束的弹簧-质量块系统组成。考虑有限尺寸质量块的质量分布效应和平移及转动约束的弹簧刚度等结构参数的影响,利用广义Hamilton原理,针对带有新型动力放大器的压电式悬臂梁俘能器,建立了分布参数型运动微分方程,获得了相应的特征函数,分析了自振频率和能量俘获效果。分析结果表明,考虑质量块偏心距和转动惯量可提高能量俘获效率的预测精度;合理选择动力放大器的平移及转动弹簧刚度可提高能量俘获的效率,降低俘能器的共振频率。     

Nonlinear dynamic analysis of cantilevered piezoelectric energy harvesters under simultaneous parametric and external excitations

The nonlinear dynamics of cantilevered piezoelectric beams is investigated under simultaneous parametric and external excitations. The beam is composed of a substrate and two piezoelectric layers and assumed as an Euler–Bernoulli model with inextensible deformation. A nonlinear distributed parameter model of cantilevered piezoelectric energy harvesters is proposed using the generalized Hamilton's principle. The proposed model includes geometric and inertia nonlinearity, but neglects the material nonlinearity. Using the Galerkin decomposition method and harmonic balance method, analytical expressions of the frequency–response curves are presented when the first bending mode of the beam plays a dominant role. Using these expressions, we investigate the effects of the damping, load resistance, electromechanical coupling, and excitation amplitude on the frequency–response curves. We also study the difference between the nonlinear lumped-parameter and distributedparameter model for predicting the performance of the energy harvesting system. Only in the case of parametric excitation, we demonstrate that the energy harvesting system has an initiation excitation threshold below which no energy can be harvested.We also illustrate that the damping and load resistance affect the initiation excitation threshold.     

Piezoelectric energy harvesting from concurrent vortex-induced vibrations and base excitations

We investigate the potential of using a piezoelectric energy harvester to concurrently harness energy from base excitations and vortex-induced vibrations. The harvester consists of a multilayered piezoelectric cantilever beam with a circular cylinder tip mass attached to its free end which is placed in a uniform air flow and subjected to direct harmonic excitations. We model the fluctuating lift coefficient by a van der Pol wake oscillator. The Euler–Lagrange principle and the Galerkin procedure are used to derive a nonlinear distributed-parameter model for a harvester under a combination of vibratory base excitations and vortex-induced vibrations. Linear and nonlinear analyses are performed to investigate the effects of the electrical load resistance, wind speed, and base acceleration on the coupled frequency, electromechanical damping, and performance of the harvester. It is demonstrated that, when the wind speed is in the pre- or post-synchronization regions, its associated electromechanical damping is increased and hence a reduction in the harvested power is obtained. When the wind speed is in the lock-in or synchronization region, the results show that there is a significant improvement in the level of the harvested power which can attain 150 % compared to using two separate harvesters. The results also show that an increase of the base acceleration results in a reduction in the vortex-induced vibrations effects, an increase of the difference between the resonant excitation frequency and the pull-out frequency, and a significant effects associated with the quenching phenomenon.     

面向压电振动能量俘获的电能管理电路综述

随着物联网(internet of things, IoT)技术的高速发展, 传统的电池供电方式已经不能满足其供电需求. 利用压电能量俘获技术将机械能转换为电能, 可为IoT提供持久的电能, 具有广阔的应用前景. 本文在讨论压电振动俘能器的电学特性基础上, 全面总结了面向压电振动俘能器的电能管理电路的最新研究成果. 电能管理电路通常由AC-DC变换和DC-DC开关变换器(包括控制算法)两部分组成, 前者用于将压电振动俘能器输出的交流电转变为直流电, 后者用于提高能量俘获效率. 首先, 针对AC-DC变换, 分析了全桥整流器、电压倍增器、同步开关电感电路和同步开关电容电路的工作原理和优缺点. 接着, 重点讨论了用于压电振动俘能器的典型开关变换器电路, 包括电感式、全电容式和变压器式DC-DC开关变换器以及AC-DC开关变换器, 分析了它们的特点和适用场合. 最后, 针对压电振动俘能器的特点, 分析了实现最大能量俘获的几种典型控制算法, 包括最大功率点跟踪、阻抗匹配和同步电荷提取控制算法. 本文通过对面向压电振动俘能器的电能管理电路的全面分析和综述, 揭示了该领域目前存在的瓶颈问题, 并展望了其未来发展方向, 对压电能量俘获自供电系统的研究和开发具有重要的参考价值.      

超低频振动能量收集器中夹片弹簧结构的建模与验证

针对一类基于夹片弹簧的压电振动能量收集器，利用材料力学莫尔积分理论建立了振荡俘能结构中夹片弹簧的等效刚度模型，通过万能拉伸试验机验证了模型精度。在此基础上，讨论了夹片弹簧刚度线性简化的两种途径：拉伸曲线线性拟合和固有频率修正。研究结果表明，从夹片弹簧拉伸曲线上看，将其等效成线性弹簧具有一定的合理性；而在实际振动能量收集器结构中，若振动加速度相对较小，通过固有频率修正法对夹片弹簧刚度进行线性简化，其幅频响应特性与非线性模型的特性相近。该研究成果为压电振动能量收集器的动力学和机电耦合模型简化提供了理论支撑。     

Green''s functions for transversely isotropic piezoelectric solids

Closed-form expressions are obtained for the infinite-body Green's functions for a transversely isotropic piezoelectric medium. The four Green's functions represent the coupled elastic and electric response to an applied point force or point charge. The Green's functions are obtained using a formulation where the three displacements and the electric potential are derivable from two potential functions. When piezoelectric coupling is absent, the results reduce to those for uncoupled elasticity and electrostatics.     

基于局域共振声子晶体结构的低频振动能量回收研究

通过对局域共振型声子晶体的带隙机理及其对能量的局域化作用的分析,提出了一种用于回收环境低频振动能量的新型局域共振结构,并结合有限元方法对此新型结构的振动特性和能量回收能力进行了分析和研究。根据结构的共振模态和“质量-弹簧”系统简化模型,改变结构的材料和几何尺寸可以使结构的前7阶共振频率降到50~250Hz的低频范围。在此基础上发展了一种低频宽带多核结构,在250Hz以下拥有几十甚至更多的共振频率,最低频率低至20Hz,进一步优化了结构的低频宽带共振特性。利用有限元软件对有限结构的频率响应和压电特性进行分析,证实了新型局域共振结构的对环境中低频振动能量的回收能力,并满足了环境振动能量回收的宽带要求。该结构可以应用于各种便携式设备、无线传感器和微机电等自供电系统中,从低频振动环境中的获取能量为自身供电。     

Topology optimization of piezoelectric nanostructures

We present an extended finite element formulation for piezoelectric nanobeams and nanoplates that is coupled with topology optimization to study the energy harvesting potential of piezoelectric nanostructures. The finite element model for the nanoplates is based on the Kirchoff plate model, with a linear through the thickness distribution of electric potential. Based on the topology optimization, the largest enhancements in energy harvesting are found for closed circuit boundary conditions, though significant gains are also found for open circuit boundary conditions. Most interestingly, our results demonstrate the competition between surface elasticity, which reduces the energy conversion efficiency, and surface piezoelectricity, which enhances the energy conversion efficiency, in governing the energy harvesting potential of piezoelectric nanostructures.